No lado de fora, um aglomerado de 55 átomos de cobre e alumínio parece um cristal, mas quimicamente, ele tem as propriedades de um átomo. O superátomo heterometálico, que químicos da Universidade Técnica de Munique (TUM) criaram agora, fornece os pré-requisitos para o desenvolvimento de novos, catalisadores mais econômicos.

A química pode ser cara. Por exemplo, a platina é usada para limpar os gases de exaustão. Este metal precioso atua como um catalisador que acelera as reações químicas. Sem catalisadores, não seria possível realizar um grande número de processos na indústria química.

"Muitos grupos de pesquisadores estão experimentando novos compostos de materiais feitos de metais básicos de baixo custo, como o ferro, cobre ou alumínio. Contudo, até aqui, ninguém foi capaz de prever se, Como as, e por que esses catalisadores reagem, "explica Roland Fischer, professor de química inorgânica e metal-orgânica na TUM. "Nosso objetivo era preencher essa lacuna e criar a base para o entendimento de uma nova geração de catalisadores."

Abordagem de baixo para cima produz resultados

Junto com sua equipe, o químico descobriu agora um segredo dos compostos de metais básicos. "O que havia de novo em nossa abordagem é que não examinamos os materiais existentes, mas, em vez disso, foi de baixo para cima e construiu compostos feitos de átomos individuais de cobre e alumínio, "explica Fischer.

Combinar dois metais no nível atômico requer uma quantidade considerável de know-how e sutileza:dentro de uma atmosfera protetora de argônio, os químicos combinaram os átomos de metal que foram ligados a compostos orgânicos em um tubo de ensaio, ao qual adicionaram um solvente.

"Naturalmente, esperávamos que os átomos de cobre e alumínio se separassem dos compostos orgânicos e formassem um agrupamento. Mas se eles realmente fariam isso e qual seria o resultado não estava totalmente claro, "diz Fischer.

Os químicos ficaram extremamente satisfeitos ao descobrir que partículas preto-avermelhadas com um diâmetro de até um milímetro se formaram no fundo do tubo de ensaio. As imagens de raios-X revelaram uma estrutura extremamente complexa. Em cada caso, 55 átomos de cobre e alumínio foram arranjados de tal forma que formaram um cristal cuja superfície consistia em 20 triângulos equiláteros.

Cristalógrafos chamam essas formas de icosaedros. Experimentos adicionais mostraram que, quimicamente, os cristais reagem como um átomo de cobre individual e também são paramagnéticos, o que significa que eles são atraídos por um campo magnético.

Uma explicação para as propriedades extraordinárias dos aglomerados de metal foi fornecida pelo Prof. Jean-Yves Saillard da universidade francesa em Rennes:Segundo ele, 43 e 12 átomos de alumínio se organizam em um "superátomo" no qual os metais formam uma camada de elétrons compartilhada que se assemelha a de um único átomo de metal.

Portanto, o cluster tem as propriedades químicas de um átomo. Localizados na camada mais externa estão três elétrons de valência cujos spins se alinham em um campo magnético - daí o paramagnetismo observado.

Base de conhecimento para novos catalisadores

O superátomo heterometálico pelos pesquisadores em Munique é o maior já feito em laboratório. "Que se formou espontaneamente, ou seja, sem a entrada de energia, fora de uma solução é um resultado extremamente notável, "enfatiza Fischer." Isso mostra que o arranjo de 55 átomos constitui uma ilha de estabilidade e, portanto, determina a direção em que a reação química ocorre. "

Os pesquisadores agora pretendem usar os resultados do projeto de pesquisa para desenvolver materiais catalisadores de granulação fina e, portanto, altamente eficazes. “Ainda estamos longe de poder usá-lo em aplicativos, "enfatiza Fischer." Mas com base no que agora alcançamos, podemos verificar a adequação de clusters de cobre-alumínio para processos catalíticos e também criar clusters feitos de outros metais promissores. "